3D打印技术在其他领域的应用实例及成果

经过20多年的发展，3D打印经历了从萌芽到产业化、从原型展示到零件直接制造的过程，发展十分迅猛，在各行各业均有了较为广泛的应用。2014年11月10日，全世界首款3D打印的笔记本电脑已开始预售。此外，还有3D打印手表、游戏手柄、键盘等。

1.3D打印枪支

非营利组织Defense Distributed的全球首款利用3D打印技术生产的手枪已经面世，这支名叫“Liberator”的手枪是由Stratasys的Dimension SST 3D打印机制造出来的，在其全部16个部件中有15个都采用ABS塑料来制造，唯一的例外是手枪撞针（图5-59）。这款手枪可以使用标准的手枪弹匣，并支持不同口径的子弹。从技术上说，Defense Distributed的手枪还有另一个非打印部件。该组织在手枪枪身上安装了一个铁块，从而使金属探测器能发现这款手枪，从而符合《不可探测枪支法案》的要求。

图5-59 利用3D打印技术制作的手枪及其零件

2.折叠自行车

以色列的Ziv-Av Engineering公司，为了测试产品的机械结构是否设计得合理，用SD300Pro制作1：1的模型来进行全面测试。工程师将整架自行车的三维CAD文档以SDView软件切割成几个主要的部分，并分别交由SD300Pro打样，再以一般的快干胶轻松将各部位组合而成一辆完整的自行车。工程师惊讶地发现，PVC样件的韧性、强度皆可有效地模拟自行车的铝合金支架。Ziv-Av的工程师随即展开一系列的组装，替自行车安装刹车、椅垫、链条和踏板等。前后不到5天的时间，一辆完整，并可完全实现功能的自行车便出现在他们眼前。Ziv-Av快速找出设计的盲点，并及时在计算机上修改部件的尺寸及外形。随后，一辆无缺陷的自行车设计便获得公司内部以及客户的认可，并且准备立刻批量生产。

3D打印技术将原本需要数月的工作量，变成数周的工作量，不仅节省了成本，同时缩短了折叠自行车的研发周期。图5-60为利用3D打印技术制作的折叠自行车及其零件。

图5-60 3D打印技术制作的折叠自行车及其零件

图5-61是第一辆用3D打印机“打印”出来的可供真人骑乘的自行车，名为“Airbike”。它采用尼龙材料制作，其坚固程度堪比钢铝材料，但质量却比之轻65%。英国布里斯托尔的科学家在计算机上设计出自行车后，使用3D打印机制造了这辆自行车。打印过程就是把熔化的尼龙粉堆积，最后“堆砌”成一辆自行车。Airbike采用一体结构，车轮、轴承和车轴均在打印过程中制造。Airbike可按照消费者的要求打印，无须调整，也无须进行维修或者装配。这种增材制造方式让使用细小的尼龙、碳增强塑料或者钛、不锈钢、铝等金属粉末制造产品成为可能。

图5-61 第一辆3D打印的可供真人骑乘的自行车

3.粗玻璃的制作

一般来说，制造玻璃制品和制造水泥一样是个高能耗产业。英国皇家艺术学院的Markus Kayser设计制作了一台能利用太阳光和沙子直接制造粗玻璃制品的3D打印机。这台设备是在Kayser之前的作品“太阳能切割机”的基础上改造而来，原材料只有阳光和沙子，十分环保。其最适合的使用环境是在沙漠里。图5-62为埃及南部撒哈拉大沙漠中的实际使用场景，阳光在计算机控制下经过聚集后直接将沙子层层烧结，直接制造出成品，但成品外观粗糙，需要深加工。这台3D打印机在撒哈拉沙漠的使用表明，3D打印技术可以在极端偏僻环境中使用基础资源。

图5-62 在撒哈拉沙漠使用沙子“墨水”打印玻璃

4.高尔夫球

图5-63为使用EOSINTM 250 Xtended为成型设备，使用某种牌号的DirectSteel合金粉末为成型材料制作的高尔夫球模具及由模具制得的高尔夫球，该套模具可以生产两千万个高尔夫球，比传统的模具提高了20%的生产效率。

图5-63 3D打印技术制作的高尔夫球模具及生产的高尔夫球

5.整体扳手

传统制造业和3D打印的区别在于成品的形成过程。传统制造过程通常使用削减的做法，包括对研磨、锻造、弯曲、成型、切割、焊接、粘结和组装过程的组合。以看似简单的物体生产为例，比如生产一个可调节的扳手，其生产工艺涉及锻造部件、磨光、铣削和装配。整个过程中会浪费部分原材料，在金属加热和再加热的过程中产生大量的能源消耗。几乎所有的日用品都是按上述过程制造出来的，而且通常会更复杂。

相反，3D打印只需要层层打印就能制造出可调节的扳手。打印出来的扳手已经组装成型，如图5-64所示。经过一些后期制作工序后，如根据材料的不同，进行清洁或烘烤，扳手就可以使用了。不过目前它还无法达到锻造金属的强度。(www.xing528.com)

图5-64 3D打印的可调节扳手无须组装

6.玩具水枪

从事模型制造的美国Rapid Models & Prototypes公司采用FDM工艺为生产厂商Laramie Toys制作了玩具水枪模型，如图5-65所示。借助FDM工艺制作该玩具水枪模型，通过将多个零件一体制作，减少了传统制作方式制作模型的部件数量，避免了焊接与螺纹连接等组装环节，显著提高了模型制作的效率。

图5-65 采用FDM工艺制作玩具水枪

7.3D打印金属自行车

图5-66为首个3D打印的金属自行车框架。这个项目是雷尼绍公司和帝国自行车公司合作设计的基于帝国自行车公司的MX-6山地车。它看上去像一个现代艺术雕塑，但实际上是3D打印机制造的自行车框架。目前，英国两家公司基于该创新自行车框架设计，制造了首个3D打印金属自行车框架。

自行车框架采用钛合金材料制成，质量轻，硬度高，钛合金框架的拉伸强度达900MPa以上，但其零件仍需手动组合在一起。

图5-66 首个3D打印的金属自行车框架

自行车框架具有中空高强度特点，比原始材料轻三分之一。它采用“拓扑最优化”设计，意味着使用软件通过最智能化方式进行材料结构分配。雷尼绍公司指出，材料从低应力区域移除，实现承载最优化设计，从而取消一些不必要的材料，使自行车质量更轻。

自行车框架打印制造完成后连接到一个金属板，当它损坏时还可再组合在一起。雷尼绍公司指出，它采用改进型弹性设计，这一过程意味着自行车框架可依据个人的精确需求来量身定制。

8.3D微型晶格结构

不久前，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家们采用3D打印技术制造出了世界上迄今为止最小的人造晶格结构，如图5-67所示。该晶格的所有部分都是由玻璃碳制成的，其长度低于1µm，直径不超过200nm。与接近的超材料相比，该3D打印晶格结构的尺寸是前者的五分之一。如此小的尺寸使其获得了前所未有的强度/密度比，可以用于电极、过滤器或光学组件等。目前这一成果已经被发表在《Nature Materials》中。

图5-67 采用3D打印技术制造的微型晶格结构

所谓的超材料是一种人造材料，其结构尺寸往往在微米水平上，而且是专门为了拥有某些特定的力学、光学属性而设计的，这些属性是非结构化的固体无法实现的，比如可以引导物体周围的声、光、热的“隐形斗篷”；或者对于压力或剪切力（拉胀材料）产生反直觉反应的材料；以及具有很高的特定稳定性的轻质纳米材料等。晶格结构是用一种已有的3D激光光刻工艺制造出来的。这种微米大小的指定结构是由计算机控制的激光束在一种感光材料中硬化而成的。不过，这种工艺的分辨率还有限制，目前还只能制造出长5～10µm、φ1µm的晶格支柱。

测试结果表明，这种晶格的承载能力非常接近理论极限，且远高于非结构化的玻璃碳。在特定稳定性方面，钻石是唯一比它高的固体材料。

3D打印技术最突出的优点是无须模具就能够成型，也不需要机械加工就能直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。而传统的制造业最核心的一个环节就是要造模，很多高端产品能够设计出来，最大的困难是生产不出来成品，原因就出在造模环节，且耗时很长，而3D打印技术则跨越了造模这个环节。

人类在经历了19世纪蒸汽机和20世纪电气化两次工业革命之后，谁将是第三次工业革命的引导者？

英国经济学家指出：3D打印技术市场潜力巨大，势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，改由更加灵巧的计算机软件主宰，这便是第三次工业革命到来的标志。

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